Часть 3-3. Беспилотники
В статье использованы мои и других авторов материалы, разработанные для компании ADJ Consulting. С разрешения компании.
В статье используются аббревиатуры:
КВО - критически важный объект;
ГПВО - гражданская ПВО;
КСЗ - комплексная система защиты.
Другие использованные аббревиатуры общеизвестны.
Существующие и перспективные средства обнаружения БЛА
Акустические, оптические и электронно-оптические приборы
На российском рынке появляются новые средства и решения для борьбы с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА). Перспективные разработки создаются как предприятиями, работающим по Гособоронзаказу, так и предпринимателями «народного ВПК». Однако большинство представленных решений ограничиваются функциями обнаружения. Задача интеграции со средствами подавления и/или поражения БЛА в комплексных системах защиты объекта (КСЗ) редко ставится перед разработчиками.
В данной статье рассматриваются основные типы применяемых и перспективных средств обнаружения БПЛА.
*****
Акустические системы наблюдения
Акустическое обнаружение сочетается с визуальным или дополняет его. Наблюдатель на пункте визуального наблюдения (ПВН) определяет по звуку направление на БПЛА и передаёт данные на пункт управления.
Однако дальность обнаружения наблюдателем БПЛА с электрическим двигателем по звуку, даже в отсутствие зашумления локации ПВН, не превышает 300 м, а для БЛА с двигателем внутреннего сгорания или реактивным до 1000 м.
Автоматическое обнаружение приборным способом не обеспечивает бо́льшей, по сравнению с человеческим ухом, дальности, однако даёт более точное определение направления на летательный аппарат.
В отличие от других систем и способов обнаружения, акустическая система (далее - акустический детектор) как правило не имеет сканирующих, вращающихся элементов. Принцип пеленгации БПЛА заключается в измерении фаз звука на разных микрофонах матрицы и последующего программного определения направления на цель. Фактически, используется стереофонический эффект с большим числом микрофонов. По принципу применения, микрофонная матрица акустического детектора представляет собой подобие фазированной антенной решётки, только не в СВЧ (сверхвысокочастотном), а в звуковом диапазоне. В большинстве случаев такие матрицы позволяют засекать приближающийся с любого направления БПЛА (всенаправленный детектор). Иногда это могут быть направленные микрофонные решётки, где все микрофоны выстроены в одной плоскости с фиксированным шагом, но для них характерен сектор обнаружения 60-90 градусов (секторный детектор).
Микрофонные матрицы акустических детекторов
Всенаправленные акустические детекторы хорошо подходят для малоразмерных или точечных КВО, а секторные для построения протяженных периметров контроля и обнаружения.
При сопряжении систем из нескольких детекторов с нейросетью появляется возможность определить дальность цели. Микрофоны с высоким качеством позволяют даже в зашумлённой среде селектировать звук, создаваемый именно БПЛА.
Нейросеть может сравнить этот звук с имеющимися в библиотеке акустическими сигнатурами и с высокой достоверностью определить тип БПЛА. Для успешного распознавания типа БПЛА необходимо, чтобы нейросеть обучалась на конкретном «звуковом ландшафте» вокруг КВО.
Построение зоны обнаружения БПЛА акустическими детекторами разного типа.
Таким образом, для акустического обнаружения приближения БПЛА к большому КВО с любого направления потребуется выставлять акустические детекторы по всему периметру с шагом 200-250 м. Для точечного КВО может быть достаточно одного всенаправленного детектора.
Для крупного КВО это могут быть десятки детекторов, сигналы от которых необходимо интегрировать программным обеспечением и отображать в системе индикации КСЗ.
Зону акустического обнаружения БПЛА вокруг КВО можно расширить созданием так называемого «предполья» за счёт расстановки детекторов в качестве рубежа «раннего оповещения» на удалении от границ объекта. Это оправданно при известном вероятном направлении подлёта БПЛА.
Пример акустических систем обнаружения
По данным ряда источников, система раннего акустического оповещения на базе смартфонов широко используются украинской стороной. В онлайновых публикациях противника утверждается, что имеется сеть из 8000 смартфонов со специальным приложением, которое позволяет определять звук БПЛА и передавать информацию в центр обработки данных.
Дополнительно об этом будет рассказано в статье «Нет, сынок, это фантастика!». Уже скоро.
С учётом малой дальности обнаружения, для работы такой системы необходимо размещение смартфонов-приёмников по 5-6 шт. на квадратный километр. Например, для создания зоны обнаружения радиусом всего 100 км понадобится работа около 190 тыс. смартфонов.
Акустическое обнаружение наличия БПЛА в воздухе имеет большое значение на ЛБС. Однако, при всех своих возможностях, акустические системы обнаружения не обеспечивают необходимый запас времени на приведение в готовность и реагирование КСЗ ГПВО.
Таким образом, практическая ценность систем акустического обнаружения БПЛА для ГПВО КВО представляется незначительной.
Преимущества. Не обнаружены.
Недостатки. Наименьшая из всех методов дальность обнаружения БПЛА.
*****
Визуальное наблюдение
Визуальное наблюдение может осуществляться как профессиональными наблюдателями, так и персоналом охранных предприятий без специальной подготовки. Это наименее капиталоёмкое средство обнаружения, которое может быть развёрнуто очень быстро.
Возможности пункта воздушного наблюдения (ПВН)
Дальность обнаружения беспилотника невооружённым глазом зависит от размеров БПЛА, времени суток и состояния атмосферы. Днём в ясную погоду наблюдатель, находящийся выше плоскости основных местных предметов (застройки, деревьев, сооружений и пр.) может обнаружить малый БПЛА коптерного или самолётного типа на расстоянии до 0,5 км, БПЛА среднего размера (с размахом крыла 3-5 м), на расстоянии до 1,5 км.
Использование на ПВН простых оптических приборов типа биноклей, монокуляров и зрительных труб не упрощает обнаружение из-за их узкого поля зрения (10-16 градусов), но значительно увеличивает его дальность. В некоторых случаях, оптические приборы наблюдения позволяют ориентировочно классифицировать БПЛА, а при наличии встроенного лазерного дальномера и определить дальность в пределах 1,5-2,5 км.
Оптические приборы наблюдения
В ночное время для наблюдения можно использовать приборы ночного видения (ПНВ). В их основе лежат матрицы микроболометров или детекторов коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR - Short-Wave InfraRed) из арсенида индия-галлия (InGaAs). Такая матрица воспринимает излучение в невидимой части спектра, а также улавливает очень слабое видимое излучение. Сигнал матрицы усиливается электронным усилителем и выводится на экран. Эти приборы могут использовать слабое освещение, создаваемое природными объектами (Луной и звёздами) или засветкой от источников света в населённых пунктах.
Инфракрасная или лазерная подсветка целей повышает дальность действия ПНВ. Для этого используются лазерные или диодные прожекторы (осветители). Они позволяют использовать ПНВ при облачности и отсутствии Луны и звёзд, а также повышают детализацию изображения.
Современные ПНВ обладают полем зрения до 30-60 градусов, однако дальность обнаружения большинства образцов не превышает 0,5-1 км. Лучший на сегодняшний день ПНВ – ПДН-КМ, способный также работать и днём, обеспечивает обнаружение БПЛА на дальности порядка 2,5 км.
Распространённые приборы ночного видения, применяемые на ПВН
Преимущества оптических приборов и ПНВ. Хорошая детализация изображения.
Недостатки. Сложность поиска объекта наблюдения из-за малого поля зрения, малая дальность
Возможности ПВН по определению координат и выдаче целеуказания активным средствам
Классическим оборудованием ПВН является азимутальный круг, иногда совмещённый с курсовым планшетом. Азимуты и углы места целей определяются с помощью примитивного визира и передаются на пункт управления (в данном случае ГПВО КВО) по имеющимся каналам связи.
При применении простых оптических или оптико-электронных приборов, удерживаемых наблюдателем в руках или на штативе, азимут можно снимать по разметке на ограждении ПВН, а угол места по простому угломеру.
Очевидной необходимостью является разработка несложной вращающейся малогабаритной платформы для установки на ней нескольких приборов наблюдения и лазерного дальномера, способной выдавать азимут в цифровой форме и передавать данные и голосовые сообщения по цифровой линии связи. Такой платформе, при применении её на стационарном ПВН не потребуется гиростабилизация, достаточно простого горизонтирования.
Размещение ПВН на КВО
В зависимости от размеров КВО может потребоваться от одного до нескольких ПВН.
Необходимо размещать ПВН над плоскостью сооружений КВО и окружающей застройки, с превышением от 3-5 м.
Для этого можно использовать крыши зданий и сооружений или уже выпускаемые прожекторные мачты. Существуют специализированные, серийно выпускаемые мачты высотой 20-60 м для ПВН с большой рабочей площадкой. Для устойчивой непрерывной работы ПВН должен быть обеспечен:
оперативной связью с пунктом управления КСЗ;
молниезащитой;
защитой наблюдателей от поражения FPV БПЛА.
Вышка с наблюдательной платформой ООО «Первая высотная»
Рядом с ПВН должно быть укрытие для наблюдателя, в которое он мог бы переместиться за считанные секунды, увидев подлетающий БПЛА. В идеальном случае пост должен представлять собой бронированное (противопульная броня) и окружённое защитными сетками сооружение.
ПВН можно выносить на некоторое расстояние от КВО. Но это дает эффект, если заранее известно «дроноопасное» направление, например, при нахождении КВО в межгорной долине.
Преимущества. Низкая стоимость оборудования, быстрое освоение функций наблюдателями.
Недостатки. Небольшая дальность обнаружения, неточное целеуказание, зависимость от метеоусловий и времени суток, зависимость от квалификации персонала наблюдения.
*****
Видеокамеры оптического диапазона
Видеокамеры могут применяться как самостоятельное средство обнаружения с выходом только на монитор оператора, но чаще комплексируются с тепловизорами, лазерными дальномерами и другими устройствами. Применение систем технического зрения и машинного обучения на основе видеокамер позволяет производить автоматическое обнаружение и захват на сопровождение беспилотников среднего размера - с размахом крыла 2-3 м, на дистанциях до 5-7 км (10-15 км при применении телескопических объективов). Представляя высококачественное изображение оператору и/или программной системе распознавания, они могут обеспечить распознавание и классификацию БПЛА, а также фильтрацию ложных тревог, выдаваемых другими системами обнаружения.
Характерные типы применяемых для наблюдения за БПЛА видеокамер
Операторы БПЛА, если есть запас продолжительности полёта, могут применять тактику противодействия оптическому обнаружению, выстраивая атаку со стороны солнца или другого мощного источника видимого света (например, световых мачт стадиона или железнодорожной станции).
С помощью видеокамер может производиться захват и сопровождение целей. Точность такого сопровождения достаточна для наведения средств поражения.
Преимущества. Распознавание целей, точное целеуказание, фильтрация ложных тревог по данным РЛС, например, стай птиц.
Недостатки. Недостаточная дальность обнаружения, зависимость от метеоусловий и времени суток.
*****
Тепловизоры, инфракрасный (ИК) диапазон
Тепловизоры могут обнаруживать приближение летательных аппаратов по тепловому излучению БПЛА. Основными «горячими точками» БПЛА служат двигатели или батареи.
Тепловизоры могут применяться как «с руки», так и на штативе, на сервоприводе, в виде вращающегося сканирующего устройства, в составе ОЭЛС (см. ниже).
В результате принудительного охлаждения сенсорной матрицы тепловизора снижается присущий этим сенсорам высокий уровень шумов. Это приводит к тому, что приборы с охлаждением имеют в разы бо́льшую дальность обнаружения.
Тепловизоры с охлаждаемой матрицей могут обеспечить дальности обнаружения БПЛА:
малого – до 5 км;
среднеразмерного – до 15 км.
БПЛА могут быть надёжно захвачены на автосопровождение. При работе в ограниченном (3-5 градусов для поиска БПЛА) секторе в статическом режиме или с малыми перемещениями сектора по углу места и азимуту, тепловизоры могут производить автоматический поиск и захват цели на сопровождение. В ряде случаев это возможно даже на фоне местных предметов. Сопровождение цели может осуществляться с достаточной для наведения средств поражения точностью. Принципиально возможно также распознавание цели и идентификация путём сравнения ИК изображений с образами в библиотеке. Однако, само наведение тепловизора в данный сектор поиска требует целеуказания от какого-то другого средства из состава КСЗ.
Распространённые модели тепловизоров
Следует учитывать, что производители дорогих ударных и разведывательных БПЛА принимают меры для снижения заметности своих аппаратов в ИК диапазоне. Это достигается экранированием тепловыделяющих узлов и направлением их излучения вверх. Между экраном и нагретым узлом БПЛА канализируется поток воздуха.
Инфракрасная подсветка целей даёт некоторый выигрыш для тепловизоров, но только в условиях низких температур.
Технические ограничения тепловизионного метода обнаружения целей
Некоторые производители заявляют о возможности кругового обзора и указывают для своих приборов очень высокие скорости постоянного вращения – до 60 об/мин. Утверждается, что в режиме кругового обзора также обеспечивается автоматическое обнаружение и «завязка траектории». Такие утверждения требуют расчётной и экспериментальной проверки. Известно, что время опроса фоточувствительной матрицы (формирования «кадра») занимает около 10 мс. За это время объектив прибора повернётся на 3.6 градуса по азимуту. Каждая следующая строка считывается при некотором смещении оптической системы по азимуту. Таким образом, физически на матрице отметка цели будет располагаться в виде «лесенки», а часть пространства не будет «осмотрена» матрицей. Для обработки может быть представлен первичный сигнал всего лишь от нескольких пикселов, а то и вовсе цель может быть пропущена.
Требуется учитывать это при создании программного обеспечения, работающему с матрицей.
Преимущества. Охлаждаемые тепловизоры имеют самую большую из оптических средств дальность обнаружения и скорость сканирования воздушного пространства. Обеспечивается высокая точность сопровождения, достаточная для наведения средств поражения.
Недостатки. Тепловизоры зависят от погодных условий. В жаркую погоду дальность обнаружения тепловизоров снижается. Необходимость ограничения скорости вращения в режиме кругового обзора не более 6-10 об/мин и даже менее.
Для повышения эффективности тепловизионных средств обнаружения может потребоваться НИОКР для создания специфических «противовоздушных» тепловизоров, которые будут иметь специальные сенсорные матрицы и алгоритмы их опроса.
*****
Лидары
Лидар это устройство, использующее технологию LiDAR (Light Detection and Ranging – «обнаружение и определение дальности с помощью света»). Фактически это локатор, работающий в диапазоне видимого света и нескольких участках диапазона инфракрасного излучения.
Сканирование лидара осуществляется узким направленным лучом. При этом, чем больше исследуемый объем пространства по дальности, тем больше на этой дальности линейная скорость луча (вдоль «строки») и расстояние между параллельными «строками». Таким образом, возникает вероятность пропуска малоразмерных объектов.
«Строчное» сканирование лидара
Такое «строчное» сканирование при круговом обзоре требует большого времени. Поэтому лидары не применяются для обзора пространства, но они хороши для сопровождения и допоиска по неточному ЦУ.
В лидарах принято считать надёжной дальность обзора и обнаружения 2-3 км. Хорошие лидары формируют две развёртки лучей – в угломестной и азимутальной плоскости. Это увеличивает вероятность обнаружения малоразмерных объектов.
Большие преимущества лидар имеет в небольших секторах обзора, при условии предварительного наведения по грубому или точному целеуказанию. Лидар может создавать трёхмерный портрет объекта для сравнения его с имеющимися в библиотеке системы. Как следствие, можно отличить даже малоразмерный БПЛА от птиц. Это дает ценные преимущества при комплексировании лидара и РЛС в рамках единой КСЗ.
Практика показала, что лидар наиболее эффективно применяется в составе оптикоэлектронных систем (ОЭЛС).
Преимущества. Точное измерение дальности, определение вектора скорости, возможность селекции и распознавания объектов путём создания и последующего анализа трёхмерных образов объектов.
Недостатки. Ограниченная дальность при сканировании в узком (единицы градусов) секторе, невозможность кругового обзора, вероятность пропуска малоразмерных БПЛА.
*****
Оптико-электронные локационные системы (ОЭЛС)
Оптико-электронные локационные системы используют приборы обнаружения, работающие в очень широком оптическом диапазоне (от ультрафиолета до инфракрасных лучей).
Составляющими ОЭЛС могут быть:
Видеокамера;
Тепловизор;
Прибор ночного видения;
Лидар;
Блок управления и связи с системой управления ГПВО КВО;
Привод.
Производители часто не включают в состав системы ОЭЛС приборы ночного видения и лидары, но видеокамера и тепловизор считаются обязательными.
Дальность обнаружения оптико-электронных станций не превышает дальностей её компонентов и в основном определяется тепловизионным каналом.
Примеры оптикоэлектронных локационных систем
ОЭЛС может осуществлять круговой, или в заданном секторе, обзор и автоматический поиск и захват целей на сопровождение. Наибольшую скорость сканирования ОЭЛС обеспечивает при использовании тепловизора (до 60 об/мин). ОЭЛС, как правило, обеспечивают достаточную для целеуказания точность и дискретность сопровождения при круговом обзоре. При сопровождении в ограниченном секторе обеспечивается точность, достаточная для наведения активных средств поражения.
ОЭЛС дают хорошие результаты при комплексировании их с обычными РЛС и при оснащении нейросетями для распознавания и сопровождения объектов.
Преимущества. Возможность автоматического поиска на 360 градусов, селекция и распознавание объектов, фильтрация ложных тревог.
Недостатки. Ограниченная дальность, определяемая конкретными каналами, зависимость от метеоусловий, возможность сопровождения целей в узком секторе.
*****
В продолжении будут рассмотрены радиочастотные методы обнаружения БПЛА
*****
Цикл статей ПВО и СВО. Средства воздушного нападения Украины и борьба с ними
Часть 3-1. Беспилотники выложена на резервном канале
*****
На моём ТГ-канале не бывает рекламы. Только анонсы новых статей. Те, кто подпишется, будут узнавать о их выходе первыми. А в чате канала - Курилке, собрались адекватные и грамотные люди.
Налёт беспилотников на Россию 11 марта. Военно-технический анализ
Кнопка перевода через Юмани из любого банка